第2章染色体与DNA.ppt
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1、1,第二章 染色体与DNA,2,1. 染色体的组成与结构 2. DNA的组成与结构 3. DNA的复制 4. DNA的修复 5. DNA的重组,本章主要内容,3,4,5,(1)结构简练:整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成。 (2)存在多顺反子mRNA的转录单元。 (3)存在重叠基因:同一段DNA编码不同的蛋白质。,原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因,只有很少数基因(如rRNA基因)是以多拷贝形式存在的。 E.coli的DNA双链长达1.1-1.4mm,是菌体长度的1000倍。,原核生物基因组的特点,6,原核基因重叠的方式: 1)一个基因完全存在于另一个基因内 2)
2、部分重叠 3)两个基因只有一个碱基对的重叠,B在A内,E在D内; K与C部分重叠; D的终止密码的最后一个碱基是J起始密码的第一个碱基,采莲人在绿杨津, 在绿杨津一阙新; 一阙新歌声漱玉, 歌声漱玉采莲人。,采莲人在绿杨津,一阙新歌声漱玉,7,1.2 真核生物染色体的组成,化学成分 作用 含量 DNA 遗传信息的载体 30% 组蛋白 参与核小体的组成 与DNA质量相当 非组蛋白 参与染色质结构调节 2/3组蛋白量 少量的RNA 少于10% DNA量,非组蛋白主要包括酶类及与细胞分裂有关的各种蛋白质,如HMG蛋白(可能与DNA超螺旋结构有关)、 DNA结合蛋白(可能是与DNA复制和转录有关的酶或
3、调节物)、A24等,染色体的组成,8,组蛋白的特性 (1) 进化上的极端保守性 H1 H2A、H2B H3 、H4, (2) 无组织特异性 (3) 肽链氨基酸分布的不对称性 (4) 组蛋白的可修饰性。在细胞周期的特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。修饰的意义:使染色质结构发生改变,使其它调控蛋白易于和染色质相互接触,从而间接影响转录活性。 (5) H5组蛋白的特殊性,9,核小体是由H2A、H2B、H3、H4各两个分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。八聚体在中间,DNA分子盘绕在外,而H1则在核小体的外面。每个核小体只有一个H1。,核小体,10,11,染色体,DN
4、A,核小体,螺线体,超螺线体,.倍,倍,倍,倍,约万倍,染色体形成过程中的长度变化,12,13,2. DNA的组成与结构,2.1 DNA的一级结构,2.1.1 化学组成与基本单位,14,DNA和RNA中的碱基,15,碱基、核苷和核苷酸,16,核苷酸=核苷+磷酸,单核苷酸的组成(举例),17,18,19,20,21,22,反向重复(回文序列),书临汉字翰林书,画上荷花和尚画,23,较长的回文结构(单链),可形成茎环结构 (发夹结构),24,较长的回文结构(双链),可形成十字形结构,25,判断,26,镜象重复,27,C-值矛盾 C-值:指物种单倍体基因组DNA的总量。 C-值悖理(C-value
5、paradox),C-值矛盾:某些物种C-值大小与其进化复杂性程度之间不呈对应关系的现象,即某些低等生物却具有较大的C值。,28,2.1.4 DNA一级结构的测定,29,30,31,桑格法序列分析的原理,酶反应,电泳方向,dATPdCTPdGTPdTTP,+ddATP,dATPdCTPdGTPdTTP,+ddTTP,dATPdCTPdGTPdTTP,+ddGTP,dATPdCTPdGTPdTTP,+ddCTP,A C G T,32,DNA的双螺旋结构模型,2.2 DNA二级结构,33,34,A,B,Z,碱基倾角() 20 6 4 碱基间距(nm) 0.26 0.34 0.37 螺旋直径(nm)
6、 2.6 2.0 1.8 每匝碱基数 11 10 12 螺旋方向 右 右 左,不同螺旋形式DNA分子的主要参数的比较,A-DNA B-DNA Z-DNA,35,A-DNA B-DNA Z-DNA,36,37,38,T=A,39,CG,40,大沟的生物学作用,大沟是蛋白因子的主要识别部位;与DNA形成三级结构及基因表达调控有关,可能形成氢键的基团在大、小沟中的分布,大沟 大沟,小沟 小沟,A - T,G - C,41,42,43,44,45,46,47,DNA超螺旋的形成 拓扑异构酶 拓扑异构酶 负超螺旋 松驰型DNA 正超螺旋 溴乙锭 溴乙锭 双螺旋分子的链间螺旋数发生变化(增多或减少几圈),
7、DNA分子内部产生额外的张力而使分子内部原子空间位置重排。 拓扑异构酶与DNA共价结合形成蛋白质DNA中间体,在其磷酸二酯键处造成暂时性裂口,使DNA的多核苷酸链得以穿越,从而改变分子的拓扑状态。,48,49,大肠杆菌topo I: 消除负超螺旋 大肠杆菌topo II:产生负超螺旋,50,3. DNA的复制,51,Watson和Crick的推测,半保留复制:双链DNA在复制时, 两条单链分开,分别以每一条单链做模板,各自合成一条新的DNA单链,这样新合成的子代双链DNA分子中, 一条单链来自亲代DNA,另一条单链是新合成的。 DNA半保留复制意义:保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。,52,
8、Semi-conservative Conservative Dispersive,53,Matthew Messelson Franklin Stahl,1958年Meselson和Stahl利用氮标记技术在大肠杆菌中首次证实了DNA的半保留复制(实验验证),DNA半保留复制的实验验证,54,55,几个概念 复制原点: 特定的复制起始点ori(或o), 长100200bp, 富含A、T。被特定的蛋白因子所识别。 质粒、细菌染色体、噬菌体和其它病毒通常有一个复制起始点,而真核的则有多个复制起始点。 复制子(replicon):即1个复制单位,包括复制原点在内的一组基因及其控制下的DNA区段。原
9、核DNA构成一个复制子,而真核的则构成多个。 复制叉:复制时,解链酶等先将DNA的一段双链解开,形成复制点,这个复制点的形状象一个叉子,故称为复制叉。,56,半不连续复制:DNA复制时其中一条子链的合成是连续的,而另一条子链的合成是不连续的。 前导链:指在DNA复制时,其延伸方向与复制叉移动方向一致并连续合成的链。 滞后链:指其延伸方向与复制叉移动方向相反,首先形成许多不连续的片段(冈崎片段),最后再连成一条完整链的DNA单链。,几个概念,57,3.1 原核和真核细胞染色体DNA复制的特点 1)半保留复制(从DNA复制的结果) 2)半不连续复制(从新生单链合成的过程) 3)双向复制(从复制叉延
10、伸的方向),58,3.2 原核细胞染色体DNA的复制,3.2.1 复制的起始,大肠杆菌DNA的复制原点(oriC),59,大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合,60,在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链,61,解链酶六聚体分别与单链DNA相结合(需DnaC帮助),进一步解开DNA双链,62,1)DNA 拓扑异构酶(DNA Topoisomerase): 拓扑异构酶:使DNA一条链发生断裂和再连接,作用是松解负超螺旋。主要集中在活性转录区,同转录有关。例如:大肠杆菌中的蛋白。 拓扑异构酶:该酶能暂时性
11、地切断和重新连接双链DNA,作用是将负超螺旋引入DNA分子。同复制有关。例如:大肠杆菌中的DNA旋转酶(gyrase)。,3.2.2 参与大肠杆菌染色体DNA复制的主要蛋白因子,63,3)单链结合蛋白(SSBP-single-strand binding protein):稳定已被解开的DNA单链、阻止复性、保护单链不被核酸酶降解。,2)DNA 解螺旋酶 /解链酶(DNA helicase):通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。 E. coli中的解螺旋酶Rep沿前导链模板的35移动,而解螺旋酶(DnaB)I、II、III沿后随链模板的5 3移动。,DnaC,DnaB,DnaA,辨认起始点
12、,解螺旋酶,64,4)引物合成酶(引发酶): 此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物(Primer)。该酶是一种特殊的以DNA为模板的RNA聚合酶,是DnaG基因的产物。,冈崎片段的合成需要RNA引物;前导链的合成也需要RNA引物。 DNA复制时使用RNA引物的意义:提高DNA复制的保真性。,65,染色体DNA复制时存在RNA引物的实验证明,66,聚合酶:DNA复制的主要聚合酶,其3 5外切活性的校对功能,提高了DNA复制的保真性。 聚合酶(DNA Pol ),Kornberg酶: 主要是对DNA损伤的修复;以及在DNA复制时切除RNA引物并催化DNA合成以填补切除R
13、NA引物后留下的缺口。 聚合酶:修复紫外光引起的DNA损伤。,5)大肠杆菌的DNA聚合酶,是以DNA为模板的DNA合成酶(DdDp)。催化反应时,以dNTP为底物;需要DNA模板;需要3-OH;新链合成方向为5 3 ,67,E.coli 中的三种DNA多聚酶,68,聚合反应的基本过程都是通过新合成的链的3-OH对进入的新的核苷三磷酸(用d NTP)的磷进行亲核攻击,导致磷酯键断裂,结果在链的3末端加上了一个新的核苷酸,即延长了一个核苷酸。 释放出的焦磷酸经焦磷酸酶水解有利于聚合反应的进行。,69,Klenow片段 大肠杆菌DNA Pol 经枯草杆菌蛋白酶或胰蛋白酶处理后所得到的羧基端大片段,具
14、5 3聚合和3 5外切功能。在体外,曾用于DNA测序和PCR反应。,70,Klenow片段的结构,71,大肠杆菌的DNA Pol III,Pol 是一种非对称二聚体,一个单体用于先导链的合成,另一个用于后随链的合成。 核心酶: 由、三个亚基构成, :5- 3聚合。 :3-5外切。 :激发外切酶活性。 延伸前导链和滞后链. 复制速率: 体内: 1000nt/sec。 体外: 700nt/sec。,72,Each catalytic core of Pol synthesizes a daughter strand. DnaB is responsible for forward movement
15、 at the replication fork.,Coordinating synthesis of the lagging and leading strands.,73,74,6)DNA连接酶(1967年发现): 若双链DNA中一条链有切口,切口一端是3-OH,另一端是5-磷酸基,连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键,而使切口连接。 DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用。 连接酶基因的发现 E. coli lig基因突变,并不导致DNA合成的终止,但引起冈崎片段的异常积累。,75,连接酶的作用机制,辅因子 原核: NAD 真核: ATP,+,76,3.2.3 DNA的复
16、制过程(以大肠杆菌的为例),复制的起始 解旋与解链:型拓扑异构酶即DNA旋转酶,引入负超螺旋,抵消复制叉推进时所产生的正超螺旋。解链酶消耗ATP,打开双链。 RNA引物的合成:DNA引发酶结合到DNA上并合成一段短的RNA引物,从而引发复制叉处先导链的复制。引发体(primosome) 复合体在后随链模板上移动时,每隔1000-2000nt就合成1个RNA,用作合成冈崎片段的引物。 DNA链的延伸:前导链和后随链的引物都由DNA Pol 延伸。即,前导链和冈崎片段的合成均由DNA Pol 催化。 RNA引物的切除及引物切除后所留缺口的填补:由DNA Pol催化。 岗崎片段的连接 复制的终止,7
17、7,大肠杆菌染色体DNA复制的终止,在与oriC约相对的位置,具有DNA复制终止位点- 20bp重复性终止子序列(Ter),此处可以结合一种特异的蛋白质分子叫做Tus(tus基因的产物),这种蛋白质可能是通过抑制解链酶(Helicase)的活性而终止复制的。详细的机制还不完全清楚。复制结束时,两个子链仍是相扣的,它们由拓扑异构酶解旋,结果子代DNA随着各自在细胞膜上的附着点移动而相互分离,分配到2个子细胞中。,78,一般每个细菌胞内只有一个核区,当细胞快速生长时,由于DNA复制次数与细胞分裂次数不同步,一个胞内可同时出现2个甚至4个核区。,图,79,DNA分子的复制过程,80,3.2.4 DN
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